KR101818079B1 - 정렬이 용이한 나노구조팁을 구비한 초소형전자칼럼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노에서 수십 나노 크기의 튜브, 기둥 또는 덩어리 형태의 구조를 가진 나노구조팁을 구비한 초소형전자칼럼에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전압을 인가하면 끝 부분에 높은 전기장이 형성되어 전자를 용이하게 방출할 수 있는 나노구조팁을 구비하고 있으며, 다른 전자렌즈 부품, 즉 전자렌즈 어퍼처 홀과 정렬이 용이하며 사용이 편리한 초소형전자칼럼에 관한 것이다.
본 발명의 초소형전자칼럼은 나노구조팁의 크기가 소스렌즈의 구경보다 큰 것을 특징으로 한다.

Description

정렬이 용이한 나노구조팁을 구비한 초소형전자칼럼{MICRO-ELECTRON COLUMN HAVING NANO STRUCTURE TIP WITH EASILY ALIGNING}

본 발명은 나노에서 수십 나노 크기의 튜브, 기둥 또는 덩어리 형태의 구조를 가진 나노구조팁을 구비한 초소형전자칼럼에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전압을 인가하면 끝 부분에 높은 전기장이 형성되어 전자를 용이하게 방출할 수 있는 나노구조팁을 구비하고 있으며, 다른 전자렌즈 부품, 즉 전자렌즈 어퍼처 홀과 정렬이 용이하며 사용이 편리한 초소형전자칼럼에 관한 것이다.

본 발명과 관련된 초소형전자칼럼은 스캐닝 터널링 현미경(STM)의 기본 원리 하에서 작동하는 전자방출원 및 미세구조의 전자광학 부품에 기초한 것으로 1980년대 처음 도입되었다. 초소형 전자 칼럼은 미세한 부품을 정교하게 조립하여 광학 수차를 최소화하여 향상된 전자 칼럼을 형성하고, 작은 구조는 여러 개를 배열하여 병렬 또는 직렬구조의 멀티전자 칼럼구조에 사용이 가능하다.

도1은 초소형전자칼럼의 구조를 나타내는 도이며, 전자방출원, 소스렌즈, 디플렉터, 및 포커스렌즈로서 아인젤렌즈가 정렬되어 전자빔이 주사되는 것을 나타낸다.

일반적으로 초소형전자칼럼으로서 대표적인 마이크로칼럼은 전자들을 방출하는 전자방출원(10), 상기 방출된 전자들을 유효한 전자빔(B)으로 형성하는 소스렌즈(20), 상기 전자빔을 디플렉팅하는 디플렉터(30), 및 상기 전자빔을 시료(s)에 포커싱을 하는 포커스렌즈(아인젤렌즈,40)로 구성된다.

기존의 전자 칼럼이나 전자 현미경과 같은 전자빔 장치에서 핵심 구성 요소 중 하나로서 전자방출원은 FE(field emitter), TE(thermal emitter), TFE(thermal field emitter)로서 Schottky Emitter 등으로 구분하고 있다. 이상적인 전자방출원은 안정된 전자 방출, high brightness, 작은 virtual beam 사이즈, 고밀도 전류방출, 작은 에너지 퍼짐(low energy spread), 및 긴 수명을 요구한다.

초소형전자칼럼의 종류로는 하나의 전자방출원과 상기 전자방출원에서 발생된 전자 빔을 제어하기 위한 전자 렌즈들로 구성된 싱글 전자 칼럼과 다수의 전자방출원에서 방출된 다수의 전자 빔을 제어하기 위한 다수의 전자 렌즈들로 구성된 멀티형 전자 칼럼으로 구분된다. 멀티형 전자 칼럼은 반도체 웨이퍼와 같이 하나의 층에 다수의 전자방출원 팁이 구비된 전자방출원과 하나의 층에 다수의 어퍼쳐가 형성된 렌즈 층이 적층된 전자 렌즈를 포함하여 구성된 웨이퍼 타입 전자 칼럼과, 싱글 전자 칼럼과 같이 개개의 전자방출원에서 방출된 전자 빔을 다수의 어퍼쳐를 가진 하나의 렌즈 층으로 제어하는 조합형 전자 칼럼, 싱글 전자 칼럼들을 하나의 하우징에 하나의 전자방출원과 렌즈들을 장착하여 사용하는 방식 등으로 구분될 수 있다. 조합형의 경우 전자방출원이 별개로 구분될 뿐 렌즈는 웨이퍼 타입과 동일하게 사용할 수 있다.

이와 같은 초소형전자칼럼은 비아홀이나 스루 홀 등 반도체 홀 검사 장치와 같은 전자빔을 이용하는 다양한 분야, 예를 들면 전자빔 리소그라피, 전자현미경 분야 등에 매우 중요한 부분이다.

또한 전자 칼럼이나 다른 전자빔 활용 분야에서 전자방출원은 전자 렌즈(특히 소스렌즈)의 광학축의 중앙에 정확하게 정렬하여야 전자 칼럼이나 전자 빔을 이용하는 장비나 장치는 최대의 성능을 발휘할 수 있다. 이를 위하여 전자방출원의 전자방출원 팁이 렌즈의 광학축에 잘 정렬되어야 할 뿐만 아니라 팁 자체도 광학축에 따라 일치되도록 제작 또는 형성되어야 한다. 또한 팁 자체가 광학축에 일치되도록 형성되지 않은 경우 이를 수정하기는 매우 어렵거나, 수정하기 위하여 추가적인 부품 또는 제어방식이 필요하다.

특히 반도체나 디스플레이 분야는 생산하는 소자의 구조가 미세하면서 대면적화 되고 있으며, 이러한 미세한 구조를 정교하고 빠르게 공정, 측정, 그리고 검사 하는 기술 및 장비로서 전자 빔을 이용한 다양한 장비의 필요성이 커지면서 생산성 향상을 위한 멀티형 전자 칼럼의 요구가 더욱 부각되고 있으며, 이와 함께 멀티형 전자칼럼에 맞는 전자방출원의 필요성이 더욱 커지고 있다.

따라서 전자방출원으로서의 조건을 충족하고 정렬성이 좋으며 단일빔 전자칼럼과 멀티빔 전자칼럼구조에서도 사용하기 적합한 전자방출원이 필요하다.

대한민국 특허공개 10-2010-0037095 호(2010.04.08)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 기존의 전자방출원과 달리 저전압에서도 전자를 방출할 수 있으며 제작 및 사용이 편리한 나노구조팁을 구비한 초소형전자칼럼을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 상기 나노구조팁과 전자 렌즈의 정렬을 용이하게 할 수 있도록 하는 초소형전자칼럼을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전자방출원, 소스렌즈, 디플렉터, 및 포커스렌즈를 포함하는 초소형전자칼럼에 있어서, 상기 전자방출원은 복수 개의 나노구조팁으로 구성되어 전자들을 방출하며, 그리고 상기 전자방출원의 나노구조팁들은 상기 전자방출원 기준으로 상기 소스렌즈의 첫번째 전자렌즈전극의 구경 크기 보다 더 넓은 면에 분포되어 있는 것,을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 전자방출원의 상기 나노구조팁들이 상기 소스렌즈의 첫번째 전자렌즈전극의 구경을 전부 카버될 수 있도록 정렬되고, 그리고 상기 전자방출원을 기준으로 상기 소스렌즈의 첫번째 전자렌즈전극의 구경이 두번째 전자렌즈전극의 구경보다 작은 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 두번째 전극의 구경이 첫번째 전극의 구경보다 5배 이상 큰 것을 특징으로 한다.

또한 상기 전자방출원에서 방출된 전자들이 상기 소스렌즈의 첫번째 전자렌즈전극의 구경내로 잘 유도되도록, 유도전극 상기 전자방출원과 상기 소스렌즈 사이에 추가로 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 위의 초소형전자칼럼을 단위 초소형전자칼럼으로 하는 멀티형 초소형전자칼럼을 제공한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 초소형전자칼럼은 기존의 전자방출원과 달리 저전압에서도 전자를 방출할 수 있으며 제작 및 사용이 편리한 장점이 있다.

또한 본 발명의 초소형전자칼럼은 상기 나노구조팁과 전자 렌즈의 정렬을 용이하게 할 수 있도록 하는 장점이 있다.

또한 본 발명의 초소형전자칼럼에서 상기 전자방출원은 한 장의 실리콘 웨이퍼와 같은 기재에 다수의 전자 방출원을 제작할 수 있어 제작 비용이 저렴해지며 또한 멀티용으로 제작이 가능하다. 상기 전자 방출원을 웨이퍼에 제작하여 전자 렌즈처럼 만들어 멀티형 전자방출원으로 하거나 또는 개별적으로 커팅하여 단일 전자 방출원으로 용이하게 제작하여 멀티형 초소형전자칼럼을 제작할 수 있다.

도1은 초소형 전자 칼럼의 구조를 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도2는 본 발명의 나노구조팁을 구비한 초소형전자칼럼의 일예를 도시한 평면도와 단면도이다.
도3는 도2의 전자 칼럼이 멀티형인 경우를 도시한 평면도와 단면도이다.
도4는 본 발명의 나노구조팁을 구비한 초소형전자칼럼의 다른 실시예를 도시한 평면도와 단면도이다.
도5는 본 발명의 나노구조팁을 구비한 초소형전자칼럼의 또 다른 실시예를 도시한 평면도와 단면도이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본원 발명의 특징은 상기 전자방출원의 나노구조팁들이 상기 전자방출원 기준으로 상기 소스렌즈의 첫번째 전자렌즈전극의 구경 면적 보다 더 넓은 면에 분포되도록 하는 것이다.

이하 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 나노구조팁을 구비한 초소형전자칼럼에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

도2는 본 발명의 나노구조팁을 구비한 초소형전자칼럼에 사용하는 일예를 도시한 것으로, 도2에서 좌측도는 나노구조팁이 맨 아래층에 위치된 상태에서 본 평면도이고 우측도는 그 단면도이다.

본 발명에 따른 초소형전자칼럼은 다수의 나노구조팁(150)을 구비한 전자방출원(100)위에 소스렌즈(200)가 정렬된 것을 도시한 것이다.

소스렌즈는 3개의 전극층(220,240,260)으로 되어 있으며 각각 하나의 전극층은 고도핑된 부분이며 실리콘 층은(210,230,250)으로 되어 있다, 하나의 전극층은 전자방출원과 같이 실리콘 기재에 고도핑되어 멤브레인을 형성하며, 상기 멤브레인 중앙에 전자 빔이 관통될 수 있도록 어퍼쳐(222)가 형성되어 있다. 맨 아래의 전극층(250,260)은 전자 칼럼에서는 엑스트렉터라 불리우며 전자방출원(100)의 팁(150)에서 전자가 잘 방출되도록 한다. 중간층으로서 전극층(230,240)은 엑셀레이터라 하며 방출된 전자들을 가속시키기 위한 것이다. 마지막 전극층(210,220)은 리미팅 어퍼쳐라 하며 전자들을 유효한 전자 빔으로 형성시킨다. 즉, 소스렌즈(200)는 전자 방출원에서 방출된 전자들을 전자빔으로 만드는 역할을 주 목적으로 하며 포커싱이나 다른 역할 또한 겸하기도 한다. 일부 층(210,230,250)은 필요시 제거되어도 된다.

상기 소스렌즈(200)는 각 전극층 사이에는 절연을 위하여 파이렉스와 같은 절연층(300)이 삽입된다. 이와 같은 절연층이 상기 엑스트렉터와 전자 방출원 사이에도 역시 절연을 위하여 파이렉스와 같은 절연층(300)이 삽입된다.

도2와 같은 구조는 본 발명에 따른 전자 방출원을 구비한 초소형전자칼럼의 예로서 소스렌즈 자체를 별도의 전자방출원과 결합시켜도 되나, 반도체 공정으로 상기 전자 방출원의 실리콘 기재부터 적층하면 정렬 및 제작이 보다 간단해 질 수 있어 바람직하다.

본 발명에서 나노구조팁(150)은 실리콘 웨이퍼 재질의 팁베이스(110)내에 배치하여 전자방출원(100)을 형성한다. 상기 나노구조팁(150)은 탄소나노튜브 CNT(Carbon nanotube) 또는 ZnO등과 같은 나노튜브, 나노 로드, 나노 필라, 나도 와이어, 또는 나노 파티클 등과 같이 수나노에서 수십나노 크기의 튜브, 기둥 또는 덩어리 형태의 구조를 가지고 있으며, 전압을 인가하면 끝부분에 높은 전기장이 형성되어 전자를 용이하게 방출할 수 있는 팁을 의미한다.

본 발명의 나노구조팁(150)은 도2에 도시된 바와 같이 소스렌즈의 전극들의 구경(222)보다 더 넓은 범위로 형성되어, 좌측의 평면도에서는 점으로서 전극층(220)과 일부 중첩되어 표시되어 있다. 따라서 전자방출원(100)의 전자 광학축이 소스렌즈들의 구경의 중심축으로 이루어지도록 하면서 충분히 소스렌즈(200)의 구경(222)보다 넓게 나노구조팁(150)이 형성되므로 전자방출원(100)과 소스렌즈(200)의 정렬이 매우 용이해진다.

도3은 도2의 초소형전자칼럼이 멀티형인 경우를 도시 한 것이다. 도3에서 초소형전자칼럼은 도2와 동일한 방식으로 정렬이 가능하며 본 발명의 전자방출원(100)은 다수의 나노구조팁(150)을 배치할 수 있어 동일한 방식의 전자렌즈(특히, 소스렌즈)를 도2와 같은 방식으로 정렬한 것을 도시한다.

도3에서 각 나노구조팁에서 전자들이 방출되어 전자 빔을 형성하는 하나를 단위 칼럼이라 하면 5개의 단위 전자 칼럼을 포함하는 멀티형 초소형전자칼럼을 도시하고 있다. 도3에서 전자방출원의 나노구조팁은 모두 하나의 판에 형성되어 동일한 전압이 인가되거나 필요에 따라서는 개별 전자방출원의 나노구조팁에 개별적으로 전압이 인가될 수 있다. 만일 나노구조팁에 개별적으로 전압의 인가가 필요한 경우 상기 나노구조팁의 주변을 개별적으로 구분하여 전압을 인가하거나, 또는 상기 전자방출원에 제일 근접한 전극층을 각각 구분하여 전압을 인가하여 각 나노구조팁과 근접 전극층간의 개별적 전압차를 이용하여 제어할 수 있다. 도3에서 전극층(220)이 하나의 전체 층(판)으로 되어 있고 구경들(222)만이 단위 칼럼별로 형성되어 있으나, 각 전극층들(220, 240, 260)은 나노구조팁과 같이 하나의 판에서 단위칼럼별로 구별되어 상기 구경들(222)에 개별적으로 전압이 인가될 수 있도록 구분되어 만들어 질 수 있다. 이는 예를 들면 WO2006/004374(2006.Jan.12. 공개)와 같은 종래의 멀티형 칼럼의 제작 방식에 따라 만들어질 수 있다.

도4는 본 발명의 나노구조팁을 구비한 초소형전자칼럼의 다른 실시예를 도시한 평면도와 단면도이다. 도4의 초소형전자칼럼은 도2의 초소형전자칼럼과 비교할 때 전자방출원(100)과 소스렌즈(200) 사이에 추가적으로 유도전극(190)이 더 포함된 것이다. 상기 유도전극(190)은 나노구조팁(150)에서 발생된 전자들이 소스렌즈(200)들의 구경(222)내로 잘 유도되도록 하는 것으로서, 상기 소스렌즈들의 구경(222) 보다 더 큰 구경을 가지고 정렬된 것이다. 상기 유도전극(190)에는 상기 나노구조팁(150)에 인가되는 음전압 보다는 적은 크기의 음전압이 인가되어 소스렌즈들의 구경으로 전자들이 향하도록 하는 역할을 한다.

도5는 본 발명의 나노구조팁을 구비한 초소형전자칼럼의 또 다른 실시예를 도시한 평면도와 단면도이다. 도5의 초소형전자칼럼은 도2와 도4의 초소형전자칼럼들과 비교할 때 소스렌즈(200) 중 전자방출원에서 나오는 전자들이 제일 먼저 통과하는 전극층(260)의 구경(262)이 상대적으로 다른 소스렌즈의 전극층들(240, 220)들의 구경(222)보다 매우 작은 크기로 형성된 것이다. 이와 같이 상기 전극층(260)의 구경(262)를 작게 한 것은 전자방출원에서 나온 전자들 중 소스렌즈(200)들의 구경 중심의 전자 광학축에 따른 직진성이 좋은 전자들만을 선별할 수 있도록 하기 위한 것이다. 즉, 소스렌즈를 통과하는 전자량은 줄어들 수 있지만 전자광학축에 따라 직진성이 좋은 바람직한 전자들을 선별하여 포커싱이 더 잘되어 시료에 도달되는 전자빔의 스팟이 작아 해상도가 크게 증가할 수 있다. 상기 전극층(260)의 구경(262)은 다른 소스렌즈의 전극들(240, 220)들의 구경(222)보다 특히 그 다음 두번째 전극의 구경보다 5배 이상 작은 것이 바람직하다. 필요에 따라서 소스렌즈의 세번째 또는 더 뒤에 배치되는 전극의 구경은 두번째 전극의 구경보다 더 작게할 수 있다. 그러므로 상기 전극층(260)의 구경(262)은 그 다음 두번째 전극의 구경보다 작은 것으로 하는 것이 바람직하다. 본 도5의 실시예는 도2의 실시예 및 도4의 실시예에서도 모두 적용이 가능하다.

도5의 예에서 바람직하게 유도전극(190)이 포함된 것으로 설명되었으나, 상기 유도전극(190)은 도2의 예와 같이 없는 상태로도 사용이 가능하여 필요에 따라 선택할 수 있다.

상기 나노구조팁(150)은 바람직하게는 전자렌즈들의 구경과 동일한 형태로서 더 넓은 면적의 크기를 갖도록 다수가 배열되는 것이다. 즉. 전자렌즈 구경이 원형이면 원형으로 다각형이면 다각형의 형태를 가지는 것이 바람직하다. 그러나 나노구조팁(150)의 크기를 전자렌즈의 구경보다 많이 크게 한다면 그 형태는 제한없이 사용이 가능하다.

또한 도2의 실시예외에 도4 및 도5의 실시예를 포함한 다양한 실시예들이 도3의 멀티형 초소형 전자칼럼으로 만들어 질 수 있다.

나노구조팁 - 150 전자방출원 - 100
소스렌즈 - 200 유도전극 - 190

Claims (3)

1. 전자방출원, 소스렌즈, 디플렉터, 및 포커스렌즈를 포함하는 초소형전자칼럼에 있어서,
   상기 전자방출원은 다수 개의 나노구조팁으로 구성되어 전자들을 방출하며,
   상기 소스렌즈는 상기 전자방출원으로부터 방출된 전자들을 유효한 빔으로 만들기 위한 렌즈로서 3개의 전극층을 포함하여 이루어지며, 첫번째 전극층(초소형 전자칼럼에서 엑스트렉터라 불리우며)은 전자방출원 팁에서 전자가 잘 방출되도록 하며, 중간층으로서의 전극층은 엑셀레이터라 하며 방출된 전자들을 가속시키기 위한 것이고 그리고 마지막 전극층은 리미팅 어퍼쳐라 하며 전자들을 유효한 전자 빔으로 형성시키도록 제한하며,
   상기 전자방출원의 나노구조팁들은 상기 전자방출원 기준으로 상기 소스렌즈의 첫번째 전자렌즈전극의 구경 면적 보다 더 넓은 면에 분포되어 있는 것,
   상기 전자방출원의 상기 나노구조팁들이 상기 소스렌즈의 첫번째 전자렌즈전극의 구경을 전부 카버될 수 있도록 정렬되고, 그리고
   상기 전자방출원을 기준으로 상기 소스렌즈의 첫번째 전자렌즈전극의 구경이 두번째 전자렌즈전극의 구경보다 작은 것,
   을 특징으로 하는 초소형전자칼럼.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전자방출원에서 방출된 전자들이 상기 소스렌즈의 첫번째 전자렌즈전극의 구경내로 잘 유도되도록, 유도전극이 상기 전자방출원과 상기 소스렌즈 사이에 추가로 배치되는 것,
   을 특징으로 하는 초소형전자칼럼.
3. 제1항 또는 제2항의 초소형전자칼럼을 단위 초소형전자칼럼으로 하는 멀티형 초소형전자칼럼.

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